双齿苏铁（Cycas bifida）低温胁迫响应的转录组与代谢组分析：揭示代谢权衡新机制

《BMC Plant Biology》：Transcriptome and metabolome analysis of Cycas bifida response to low-temperature stress

本研究针对古老孑遗植物双齿苏铁耐寒性弱的难题，通过-5°C低温胁迫处理，整合转录组和代谢组学分析，系统揭示了其响应低温的核心分子机制。研究发现一个由20个基因组成的核心模块（关键基因对CYCAS_003438/CYCAS_003468）通过“代谢权衡”机制，协调半乳糖代谢（促进渗透保护剂合成）与类黄酮生物合成（抑制类黄酮积累）之间的碳分配。该研究首次报道了苏铁植物在低温下类黄酮代谢受抑制的现象，为理解植物非CBF途径的古老耐寒机制及苏铁耐寒育种提供了重要理论依据。

　　

在全球气候变暖的背景下，许多热带、亚热带植物的生存面临挑战，而将它们引种到相对凉爽的地区可能是一种保护策略。然而，这一策略的成功实施，关键在于植物能否适应新的、可能更寒冷的环境。双齿苏铁（Cycas bifida）作为一种古老而珍稀的苏铁科植物，仅分布于中国云南和广西的极少数区域，野生种群极其稀少。前期研究已证实其抗寒能力较弱，但对其在分子和代谢水平上如何响应低温胁迫，人们知之甚少。尤其特别的是，与我们熟知的被子植物（如拟南芥、水稻）主要依赖CBF/DREB1转录因子家族来应对寒冷不同，苏铁作为比被子植物更为古老的裸子植物，其基因组中缺乏CBF/DREB1基因家族。这意味着双齿苏铁很可能依赖一套更为古老、独特的机制来抵御低温。为了揭开这一古老植物的耐寒秘密，研究人员在《BMC Plant Biology》上发表了他们的最新研究成果。

为深入探究双齿苏铁的低温应答机制，研究团队设计了一项精细的实验。他们选取了六年生的双齿苏铁植株，基于前期研究确定的-5°C这一关键温度阈值，设置了对照组（CK，常温）和两个处理组：-5°C处理1.5小时（F1）和处理6小时（F2）。处理后立即采集叶片样本，随后综合运用了转录组测序（RNA-seq）和非靶向代谢组学（LC-MS）技术进行分析。由于F2组样本出现RNA降解，后续的转录组分析主要集中在CK和F1组的比较上。通过生物信息学分析（如差异表达基因筛选、GO/KEGG富集分析、加权基因共表达网络分析WGCNA）以及qRT-PCR验证，系统描绘了双齿苏铁在基因表达和代谢物积累层面响应低温的全局图谱。

揭示低温胁迫下的差异基因表达模式

通过对CK与F1组的比较，研究人员共鉴定出1960个差异表达基因（DEGs），其中1223个基因表达上调，737个基因下调。聚类分析显示，对照组和低温处理组的样本能够清晰分开，表明低温胁迫显著改变了双齿苏铁的基因表达谱。

响应低温胁迫的功能富集分析

GO（基因本体论）富集分析显示，差异表达基因显著富集在“代谢过程”、“细胞过程”、“催化活性”等条目。更为关键的线索来自KEGG（京都基因与基因组百科全书）通路富集分析，结果指出“半乳糖代谢”和“类黄酮生物合成”通路是双齿苏铁响应低温胁迫的核心途径。qRT-PCR结果也验证了转录组数据的可靠性。

多元统计分析揭示组间分离与代谢变异

代谢组数据的PCA（主成分分析）、PLS-DA（偏最小二乘判别分析）和OPLS-DA（正交偏最小二乘判别分析）模型均显示，不同处理组的样本能够明显区分，且模型预测能力良好，说明低温胁迫引起了显著的代谢物变化。KEGG通路富集分析发现，ABC转运蛋白、类黄酮生物合成、TCA循环（三羧酸循环）等多个代谢通路在低温处理下发生显著改变。

整合转录组和代谢组分析揭示半乳糖代谢的协同调控

深入分析发现，半乳糖代谢通路中有10个基因发生差异表达。其中，肌醇半乳糖苷合成酶（GolS）和6-磷酸果糖激酶（pfkA/PFK）等相关基因显著上调，而α-半乳糖苷酶（galA/rafA）、β-半乳糖苷酶（GLB1/ELNR1）等基因则下调。与之对应，代谢物检测发现乳糖、D-山梨醇和半乳糖醇等含量发生变化。这些协同变化表明，双齿苏铁通过精细调控半乳糖代谢相关基因的表达，改变渗透保护性物质（如半乳糖醇、棉子糖）的积累，以维持细胞稳态，应对冷胁迫。

类黄酮生物合成通路对低温胁迫的响应

在类黄酮生物合成通路中，共有26个基因被鉴定为差异表达。有趣的是，该通路呈现出上游基因（如CYP73A、HCT、DFR、CHI）上调，而下游基因（如CHS、F3H、ANS、ANR、CYP75A/B）普遍下调的表达模式。代谢物检测结果与此呼应：牡荆素（vitexin）和二氢槲皮素（dihydroquercetin）等部分类黄酮含量上升，而根皮苷（phlorizin）、樱花素（sakuranetin）、木犀草素（luteolin）等含量下降。这表明双齿苏铁在低温下并非简单激活或抑制整个类黄酮代谢，而是进行了代谢流的重排，可能优先积累某些具有特定保护功能的类黄酮（如牡荆素）。

WGCNA识别低温胁迫响应基因模块

通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究构建了包含10个基因模块的共表达网络。其中，MEyellow模块与蜜二糖（melibiose）等代谢物正相关，MEgreen模块与木犀草素（luteolin）等负相关。尤为重要的是，研究人员识别出一个核心的“turquoise”模块，该模块由20个基因构成高度协同的调控单元。模块内的关键基因对CYCAS_003438和CYCAS_003468具有最强的网络连接强度。进一步整合代谢组数据发现，该模块的基因成员与半乳糖代谢途径的代谢物（如D-山梨醇、半乳糖醇）呈正相关，而与类黄酮生物合成途径的代谢物（如His-Met）呈负相关。这种“代谢权衡”的模式提示，该核心模块可能在低温胁迫下协调碳流向，促进通过半乳糖代谢合成渗透保护剂，同时抑制类黄酮的合成，以实现资源在胁迫防御与次生代谢之间的优化配置。

讨论与结论

本研究通过多组学整合分析，系统揭示了双齿苏铁响应低温胁迫的分子与代谢调控网络。研究结果表明，双齿苏铁作为一种缺乏CBF途径的古老植物，其耐寒机制具有独特性。它通过核心基因共表达模块（特别是turquoise模块及其关键基因对CYCAS_003438/CYCAS_003468）介导的一种“代谢权衡”机制，协调半乳糖代谢（促进保护性物质积累）和类黄酮生物合成（抑制部分类黄酮合成）之间的资源分配，从而适应低温环境。这是首次在苏铁植物中报道低温胁迫下类黄酮代谢受到抑制的现象。该研究不仅阐明了双齿苏铁低温适应的新颖机制，丰富了人们对植物非CBF耐寒途径的认识，也为双齿苏铁乃至其他苏铁植物的耐寒性育种和保护性引种提供了重要的理论依据和关键的候选靶点。